阅读说明：本技术 一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法 (Laser deposition forming process monitoring device and double closed-loop control method ) 是由 赵凯 杨萍 郝云波 朱忠良 梁旭东 张春杰 赵维刚 于 2020-12-01 设计创作，主要内容包括：一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法,该装置包括测距传感器、熔池观测传感器和控制单元。该双闭环控制方法中,包括外环控制方法和内环控制方法。外环控制方法中,包括测距传感器,安装在加工头侧面,使激光束与工件加工面垂直,测量加工头与加工表面的距离,控制系统将所测距离与预设距离进行对比,得出加工头与加工表面的距离误差,距离误差作为闭环控制算法的输入,被控工艺参数提升量的调整变化值作为输出。内环控制方法中,包括熔池观测传感器,同轴或旁轴安装在加工头上,获取熔池的形状、尺寸信息,控制单元根据预存熔池数据库得出熔池数据偏差量,被控工艺参数的变化量激光功率、送粉速度的调整变化值作为输出。(A monitoring device for a laser deposition forming process and a double closed-loop control method are provided, the device comprises a distance measuring sensor, a molten pool observation sensor and a control unit. The double closed-loop control method comprises an outer loop control method and an inner loop control method. The outer ring control method comprises a distance measuring sensor which is arranged on the side surface of a processing head to enable a laser beam to be vertical to a processing surface of a workpiece, the distance between the processing head and the processing surface is measured, a control system compares the measured distance with a preset distance to obtain a distance error between the processing head and the processing surface, the distance error is used as the input of a closed-loop control algorithm, and the adjustment change value of the controlled process parameter lifting amount is used as the output. The inner ring control method includes the molten pool observation sensor, the coaxial or paraxial installation on the processing head, the acquisition of the shape and size information of the molten pool, the control unit according to the pre-stored molten pool database to obtain the deviation of the molten pool data, the controlled process parameter variation laser power, the powder feeding speed adjustment variation as output.)

一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法

技术领域

本发明属于先进制造领域，涉及激光熔覆和激光沉积成形领域，具体涉及一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法。

背景技术

激光沉积成形技术是增材制造技术的一种，以合金粉末为原料，以粉末同步送进为特征，通过激光熔化/快速凝固逐层沉积制造，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金属结构件的“近净成形制造”。因其独特技术优势，被誉为是一种“变革性”“控形/控性”一体化制造技术，在航空、航天等重大装备制造中具有广阔发展前景。该技术材料利用率高，可实现力学性能与锻件相当的复杂高性能构件制造，且其同步材料送进特征，还可实现梯度结构制造，可用于损伤构件的高性能修复。

在激光沉积成形过程中，熔覆加工头单层的提升量需与该熔覆层实际增长的高度一致，以保证激光焦点始终位于加工表面。实际加工时，单层提升量一般设为固定值，随着成形件高度的增加，误差的层层累积，会出现离焦现象。正负离焦会改变激光工作焦距，从而改变激光光斑尺寸、熔池尺寸和温度，最终会导致工件尺寸与实际模型不符或工件坍塌等现象。因此，需要一种能够精确测量熔覆加工头高度和熔池尺寸的装置，可实时反馈高度、熔池尺寸信息，并根据偏差量实时调整每层的提升量、激光功率和送粉量，以保证加工过程稳定性，提高加工表面形貌和质量。

现有监测激光沉积成形过程稳定性的控制方式，一般是仅监测熔覆层高度，调节提升量，忽略熔池局部热积累过大，易造成塌陷；或仅监测熔池，调节激光功率和送粉量，忽略熔覆层高度累积误差导致的离焦现象，造成成形件尺寸不符、精度不高、表面质量差等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光沉积成形过程监测装置与双闭环控制方法，以实现熔覆层单层提升量、激光功率和送粉量的双闭环精确控制，保证加工过程的稳定性，提高加工表面形貌和质量。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种激光沉积成形过程监测装置，其特征在于，包括：测距传感器、熔池观测传感器、控制单元；

所述测距传感器，安装在加工头侧面，使激光束与工件加工面垂直，用于测量加工头与加工表面的距离，并将高度数据传输给控制单元；

所述熔池观测传感器，同轴安装于加工头，利用光路同轴观测熔池，获取熔池形状和尺寸；

所述控制单元，用于处理测距传感器和熔池观测传感器测量得到的加工头距离加工表面距离、熔池形状和尺寸，计算偏差值，实时调整成形过程工艺参数，并反馈给控制单元；

优选的，所述测距传感器采样频率为500～1000HZ，可测量加工头与加工表面的距离，并以模拟量值输出。

进一步地，所述熔池观测传感器，包含图像处理器，可对采集的熔池图像进行处理，以模拟量形式输出熔池形状参数，整个处理过程小于30ms。

进一步地，所述控制单元为PLC或嵌入式处理器。

本发明的另一技术方案在于，提出了基于上述激光沉积成形过程监测装置的双闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在激光沉积成形开始之前，调整加工头位置至高度预设值，所述测距传感器的测量视角与工件加工面垂直，所述熔池观测传感器的测量中心与激光加工工作焦点中心重合，在参数设置界面中输入加工头高度、熔池尺寸预设值；

步骤2：设置初始激光功率、送粉量、提升量，设定激光沉积成形轨迹，开始成形加工过程；

步骤3：激光沉积成形过程中，所述测距传感器、熔池观测传感器，设定相同的采样频率；

步骤4：所述控制单元将当前熔池尺寸、加工头与加工表面的距离减去设定值，得出当前采样周期中加工头与加工表面的距离、熔池尺寸的偏差量；

步骤5：所述控制单元根据所得加工头与加工表面的距离偏差量控制运动机构实时调整提升量；根据所得熔池尺寸偏差量控制激光器和送粉器实时调整激光功率、送粉量。

与现有技术相比，本发明所述的激光沉积成形过程监测装置和双闭环控制方法不仅能监测熔覆层高度，调节提升量，解决熔覆层高度累积误差导致的离焦现象；而且能监测熔池，调节激光功率和送粉量，解决熔池局部热积累过大造成塌陷、成形件尺寸不符、精度不高、表面质量差等问题。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明实施例中激光沉积成形过程监测装置组成图(熔池观测传感器旁轴安装)。

图2为本发明实施例中激光沉积成形过程监测装置组成图(熔池观测传感器同轴安装)。

图3为本发明实施例中双闭环控制方法的控制原理框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于激光近净成形技术的球形贮箱制造方法做进一步明确说明。根据下面的说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1、图2，本发明实施例的激光沉积成形过程监测装置，由测距传感器3、熔池观测传感器5、控制单元2组成。

所述测距传感器，安装在加工头1侧面，使激光束与工件加工面垂直，用于测量加工头1与加工表面4的距离，并将高度数据传输给控制单元；

所述熔池观测传感器，同轴安装于加工头1，利用光路同轴观测熔池，获取熔池形状和尺寸；

所述控制单元，用于处理测距传感器3和熔池观测传感器5测量得到的加工头距离加工表面距离、熔池形状和尺寸，计算偏差值，实时调整成形过程工艺参数，并反馈给控制单元2；；

其中，所述测距传感器3，可选择测量范围为50～500mm，采样频率为500～1000HZ的激光测距传感器，测量加工头1与加工表面4的距离，并以模拟量值输出。

所述熔池观测传感器3，包含图像处理器，可对采集的熔池图像进行处理，以模拟量形式输出熔池形状参数，整个处理过程小于30ms。

所述控制单元2为PLC或嵌入式处理器。

结合图3，激光沉积成形过程监测装置的双闭环控制方法，包括如下步骤：

步骤1：在激光沉积成形开始之前，调整加工头1位置至高度预设值，所述测距传感器3的测量视角与工件加工面垂直，所述熔池观测传感器5的测量中心与激光加工工作焦点中心重合，在参数设置界面中输入加工头高度、熔池尺寸预设值。

步骤2：设置初始激光功率、送粉量、提升量，设定激光沉积成形轨迹，开始成形加工过程。

步骤3：激光沉积成形过程中，所述测距传感器3、熔池观测传感器3，设定相同的采样频率；所述测距传感器3按设定的采样频率，获取当前加工头1与加工表面4的距离；所述熔池观测传感器5按设定的采样频率，获取当前同周期的熔池尺寸数据；。

步骤4：所述控制单元2将当前熔池尺寸、加工头与加工表面的距离减去设定值，得出当前采样周期中加工头与加工表面的距离、熔池尺寸的偏差量。

步骤5：所述控制单元2根据所得加工头1与加工表面4的距离偏差量控制运动机构实时调整提升量；根据所得熔池尺寸偏差量控制激光器和送粉器实时调整激光功率、送粉量，如：加工头1与加工表面4的距离偏差量为正值，则运动机构需要沿垂直于加工面方向降低偏差量的值；加工头1与加工表面4的距离偏差量为负值，则运动机构需要沿垂直于加工面方向提升偏差量的值；

熔池尺寸偏差量作为控制算法输入，输出激光功率和送粉量的调节值；熔池尺寸偏差量为正值，则降低激光功率和送粉量；熔池尺寸偏差量为负值，则提高激光功率和送粉量。